通過半導(dǎo)體低聚物受體工程改進(jìn)NIR-II熒光成像和治療

本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光成像是近年來發(fā)展起來的一種新型體內(nèi)成像技術(shù)，具有穿透深度深、空間分辨率高、成像速度快等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)與在NIR-II窗口中的發(fā)光的熒光團(tuán)相結(jié)合，可應(yīng)用于腫瘤成像、引導(dǎo)手術(shù)和藥理學(xué)療效評(píng)估等眾多研究，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大潛力。

半導(dǎo)體聚合物（SP）是最近開發(fā)的一類性能優(yōu)異的NIR-II熒光團(tuán)，具有強(qiáng)大的光捕獲能力、光學(xué)性能的靈活可調(diào)性、優(yōu)異的生物相容性以及新功能引入的可能性。然而，目前的SP還存在著分子量和結(jié)構(gòu)不明確，體內(nèi)代謝緩慢等問題。其中，（SO）是一類由π-共軛支架組成的小分子，通過碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)合成。SO除了有一般SP的優(yōu)點(diǎn)外，還具有較好的光穩(wěn)定性，并且由于分子量較小，易于在體內(nèi)代謝，在各種生物醫(yī)學(xué)研究中具有良好的應(yīng)用前景。
 

 

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本研究通過受體工程方法設(shè)計(jì)和合成了三種D-A-D型低聚物，并制備成納米顆粒（NP）。其中基于噻二唑苯并三唑（TBZ）受體的低聚物3納米顆粒（O3 NP）具有最高的NIR-Ⅱ熒光亮度，可用于體內(nèi)NIR-II成像和光熱治療（PTT）。

方案1. 三種低聚物（O1、O2和O3）的合成

 

三種SO分子的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）分布在整個(gè)分子骨架中，而最低未占據(jù)分子軌道（LUMO）主要集中在受體上。這種HOMO-LUMO分離將導(dǎo)致分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT），HOMO-LUMO間隙越小，分子就越容易被激發(fā)，表現(xiàn)為SO的吸收和發(fā)射帶紅移。

O1到O3的HOMO-LUMO間隙從1.27eV逐漸增加到1.53 eV，這可歸因于其受體的吸電子能力逐漸降低。密度泛函理論（DFT）和時(shí)間相關(guān)DFT（TDDFT）計(jì)算結(jié)果顯示，從O1到O3，λmax逐漸藍(lán)移，而振子強(qiáng)度不斷增加，與HOMO-LUMO間隙的變化趨勢(shì)和光譜測(cè)定結(jié)果非常一致。

簡(jiǎn)而言之，由于TBZ是三種受體中吸電子能力最弱的，抑制了ICT效應(yīng)，從而反過來提高了低聚物的NIR-II熒光強(qiáng)度。因此，當(dāng)吸收強(qiáng)度相同時(shí)，O3的熒光性能最強(qiáng)。

 

圖1. 三種低聚物的光譜性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)

 

為了提高低聚物的溶解度和生物相容性，采用納米沉淀法將其用F127聚合物包封，形成水分散性納米顆粒。與O1 NP和O2 NP相比，O3 NP在水中表現(xiàn)出最高的NIR-Ⅱ熒光亮度，且與濃度之間存在良好的線性關(guān)系。此外，O3 NP的斯托克斯位移計(jì)算值高達(dá)213 nm，可有效減少分子自吸收引起的自猝滅。

圖2. O3 NP的形態(tài)與大小、光譜性質(zhì)、體外熒光及信號(hào)量化

 

在體外對(duì)O3 NP的光熱性能與光熱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。用不同濃度的O3 NP在808nm下照射，可見隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng)，O3 NP經(jīng)歷了明顯的溫度升高，呈現(xiàn)出濃度依賴的趨勢(shì)，表現(xiàn)出良好的光熱效應(yīng)。經(jīng)過幾個(gè)加熱-冷卻循環(huán)后，O3 NP的最高溫度沒有明顯變化，表明O3 NP具有顯著的光熱穩(wěn)定性。

圖3. O3 NP的光熱性能與光熱穩(wěn)定性

 

體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步展示了O3 NP優(yōu)異的PTT潛力。即使O3 NP濃度達(dá)到200μg/mL，3T3細(xì)胞在O3 NP孵育后仍表現(xiàn)出較高的細(xì)胞存活率，表明O3 NP具有良好的生物相容性。然而，當(dāng)在808nm激光照射下用O3 NP處理HeLa細(xì)胞時(shí)，觀察到HeLa細(xì)胞活力呈現(xiàn)出O3 NP濃度依賴性的降低，凋亡顯著增加。

圖4. O3 NP在有/無激光照射下的細(xì)胞毒性

 

使用O3 NP對(duì)攜帶HeLa腫瘤的小鼠進(jìn)行體內(nèi)成像。O3 NP靜脈注射3分鐘后，腹部和后肢的血管立即清晰可見。來自腫瘤部位的熒光強(qiáng)度從隨時(shí)間逐漸增加，并在36小時(shí)達(dá)到最高值。證明O3 NP具有良好的腫瘤積聚能力和活體NIR-Ⅱ光熱治療潛力。

離體主要器官NIR-Ⅱ熒光信號(hào)顯示，O3 NP主要通過肝膽系統(tǒng)清除。腫瘤顯示出除肝臟外最高的NIR-II信號(hào)，進(jìn)一步驗(yàn)證了O3納米粒子優(yōu)異的腫瘤積聚能力。

圖5. O3 NP小鼠體內(nèi)腫瘤成像

 

總之，本工作通過選擇不同的受體成功構(gòu)建了三種具有D-A-D結(jié)構(gòu)的低聚物。所制備的O3納米粒子不僅具有明亮的NIR-II發(fā)射，而且具有優(yōu)異的光熱性能，實(shí)現(xiàn)了高效的NIR-II成像和光熱治療。合成O3所使用的TBZ單元是構(gòu)建明亮的功能性NIR-II染料的一種很有前途的電子受體。這種通過調(diào)節(jié)受體結(jié)構(gòu)來降低ICT效應(yīng)，從而提高低聚物NIR-II亮度的策略將為開發(fā)具有優(yōu)異NIR-II性能的臨床治療探針提供了啟示。

 

參考文獻(xiàn)

LIANG X, CHEN L, WANG Y, et al. Acceptor engineering of semiconducting oligomers for improved NIR-II fluorescence imaging and therapy [J]. Dyes and Pigments, 2023, 220: 111756.

 

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